Podstawowe właściwości pola elektrycznego i jego charakterystyka: natężenie, potencjał, indukcja

Pole elektryczne nazywa się materią, która zapewnia oddziaływanie w nim ładunków elektrycznych. Może być generowany zarówno przez ładunek elektryczny, jak i zmieniający się strumień magnetyczny. W pierwszym przypadku nazywa się to elektrostatycznym, w drugim - wirowym. Bez tego pola prąd elektryczny nie może powstać, ale aby wiedzieć, jak powstaje, należy zapoznać się z podstawowymi właściwościami pola elektrycznego.

Charakter zjawiska

Nie da się zobaczyć pola elektrycznego oczami: można je wykryć po jego działaniu na naładowane ciała. W tym przypadku taki efekt nie wymaga bezpośredniego kontaktu potencjalnych nośników, ale ma charakter siłowy. W ten sposób naelektryzowane włosy będą przyciągane do innych obiektów.

Obserwacja pól elektrycznych pokazuje, że działają one podobnie jak pola grawitacyjne. Opisuje to prawo Coulomba, które ogólnie wygląda tak:

F = q₁ q₂ / 4 π ε ε₀ r ²,

gdzie q₁ i q₂ są wartościami ładunków w kulombach, ε jest stałą dielektryczną ośrodka, ε₀ jest stałą elektryczną, równy 8,854 * 10⁻¹² F / m, r jest odległością między ładunkami w metrach, a F jest siłą, z którą ładunki oddziałują, w niutony.

Zatem im dalej od centrum, tym mniejszy będzie efekt pola.

Możesz wyświetlić pole graficznie w postaci linii siły. Ich lokalizacja będzie zależeć od geometrii mediów. Istnieją dwa rodzaje pól:

1. Jednorodne, gdy linie sił są do siebie równoległe. Idealnym przypadkiem są nieskończone równolegle naładowane płyty.
2. Niejednorodny, którego szczególnym przypadkiem jest pole wokół ładunku punktowego lub kulistego; jego linie siły rozchodzą się promieniście od środka, jeśli jest dodatnia i do środka, jeśli jest ujemna.

Linie siły pola elektrycznego indukowanego przez ładunek elektryczny nie są zamknięte. Są one zamknięte tylko w polu wirowym, które powstaje wokół zmieniającego się strumienia magnetycznego.

To są podstawowe właściwości pola elektrycznego. Aby zapoznać się z jego charakterystyką, warto rozważyć najprostszą opcję - elektrostatyczną, którą tworzą ładunki stałe i stacjonarne. Dla wygody będą one punktowe, aby ich kontury nie komplikowały obliczeń. Ładunek testowy, który również pojawi się w przyszłości, również będzie punktowy i nieskończenie mały.

Główna charakterystyka

Można je opisać za pomocą wzorów matematycznych, a niektóre można wyrazić graficznie. Te ostatnie cechy są wektorowe, to znaczy mają kierunek. Jest to ważne, ponieważ przy rozwiązywaniu praktycznych problemów często trzeba operować nie z wartością wielkości, ale z rzutem wektora na wybraną oś.

Główne parametry pola to:

1. napięcie;
2. potencjał;
3. wprowadzenie.

Siła pola

Jest to charakterystyka siły pola elektrycznego. Wielkość ta jest wektorem i charakteryzuje siłę, z jaką pole działa na ładunek w określonym punkcie. Matematycznie wyraża się to w następujący sposób:

Ē = F̄ / q.

Jeśli podstawimy tutaj wzór na prawo Coulomba, otrzymamy:

Ē = q₀ / 4 π ε ε₀ r ².

Tak więc w każdym punkcie pola jego siła jest inna i zależy od ładunku, jaki wytwarza, warunków otoczenia i wartości odwrotnie proporcjonalnej do kwadratu odległości do punktu.

Jeśli pole jest tworzone przez dwa ładunki, to wynikową siłę oblicza się graficznie - dodając wektory siły z każdego źródła. Ta metoda nazywana jest zasadą superpozycji.

Potencjały i ich różnice

Pole elektryczne jest zdolne do wykonywania pracy. Jeśli opłata testowa zostanie przeniesiona w teren, to praca wykonana przez e-mail. pole, będzie zależeć od początkowej i końcowej odległości od opłaty testowej do centrum wiadomości e-mail. pola. Można to porównać do osoby, która ma skoczyć z dachu. Będąc na wysokości dziesiątego piętra, jego energia potencjalna będzie równa:

W = -GMm / Rr.

Albo jeśli weźmiemy pod uwagę proporcjonalność ziemi i człowieka:

W = mgh.

Dopóki człowiek nie skoczy, ma energię potencjalną. Kiedy w końcu opadnie, pole grawitacyjne zadziała, liczbowo równe powyższej wartości. Nie uwzględnia to ruchu poziomego – tę pracę wykonał sam zmarły.

W podobny sposób działa pole elektryczne. Umieszczony w nim ładunek próbny q₁ ma energię potencjalną:

W = q₁ q₀ / 4 π ε ε₀ r.

Przemieszczając się do innego punktu, gdy odległość r jest inna, pole wykona pracę równą:

A = W₁ - W₂ = q₁ q₀ / 4 π ε ε₀ r₁ - q₁ q₀ / 4 π ε ε₀ r₂.

Jeśli z obu terminów wybierzemy parametr, który odnosi się bezpośrednio do pola, a nie do opłaty testowej, będzie to wyglądało tak:

φ₁ = q₀ / 4 π ε ε₀ r₁; φ₂ = q₀ / 4 π ε ε₀ r₂.

A to φ nazywamy potencjałem pola w punkcie. W oparciu o wszystkie powyższe formuły możesz wyrazić tę wartość w następujący sposób:

φ ₁ = W₁ / q₁; φ₂ = W₂ / q₁.

Zatem praca, którą wykona pole, będzie wyrażona w następujący sposób:

A = W₁ - W₂ = φ₁ q₁ - φ₂ q₁ = q₁ (φ₁ - φ₂).

Wyrażenie w nawiasach będzie nazywane różnicą potencjałów lub napięciem. Pokazuje, jaką pracę wykona pole, aby przenieść ładunek testowy.

A / q = (φ₁ - φ₂).

Jednostka tej wartości, J / Kl, została nazwana Volt na cześć naukowca Alessandro Volty. Z tej jednostki mierzy się wymiar innych wielkości w elektrostatyce i elektrodynamice. Na przykład natężenie pola jest mierzone w V / m.

Indukcja elektryczna

Ta wartość charakteryzuje pole elektryczne, jak mówią, w czystej postaci. W rzeczywistości mamy do czynienia z polem w różnych ośrodkach o określonej stałej dielektrycznej. Pomimo tego, że dla większości substancji jest to wartość tabelaryczna, w niektórych przypadkach jest niestabilna, a jej zależność od parametrów środowiskowych (temperatura, wilgotność itp.) ) jest nieliniowa.

Zjawisko to jest typowe dla soli Rochelle, tytanianu baru, niobianu litu i wielu innych.

Indukcję elektryczną mierzy się w C/m2, a jej wartość wyraża wzór:

D = ε ε₀ E.

Jest to również wielkość wektorowa, której kierunek pokrywa się z kierunkiem napięcia.

Pole statyczne i wirowe

Jak wspomniano na początku tego artykułu, pole elektryczne może wystąpić wokół zmiennego pola magnetycznego. Tworzy nawet prąd, który można osiągnąć na dwa sposoby:

• zmiana natężenia pola magnetycznego przechodzącego przez kontur znajdującego się w nim przewodnika;
• zmieniając pozycję samego przewodnika.

W takim przypadku przewodnik wcale nie musi być zamknięty - prąd nadal będzie w nim płynął.

Aby zilustrować różnice między polami statycznymi i wirowymi, można sporządzić tabelę.

Parametr	Elektrostatyczny	Wir
kształt linii pola	otwarty	Zamknięte
co jest stworzone?	ładunek stacjonarny	zmienny strumień magnetyczny
źródło napięcia	opłata	nieobecny
praca w zamkniętej pętli ruchu	zero	tworzy EMF indukcji

Nie oznacza to, że pierwsze i drugie pole nie są ze sobą w żaden sposób połączone. To nie jest prawda. W rzeczywistości działa następujący wzór: ładunek stacjonarny tworzy pole elektrostatyczne, które przemieszcza ładunek w przewodniku; poruszający się ładunek generuje stałe pole magnetyczne. Jeśli ładunek porusza się ze zmienną prędkością i kierunkiem, wówczas pole magnetyczne staje się zmienne i tworzy wtórne pole elektryczne. Zatem pole elektryczne i jego charakterystyka wpływają na możliwość wystąpienia pola magnetycznego i jego parametry.